10. Источники питания

10.1. Методы построения источников питания

Для нормальной работы электронной аппаратуры необходим источник питания (чаще всего постоянного напряжения). Для мобильных устройств требуются автономные источники питания (батареи, аккумуляторы), электрическая энергия (мощность) которых имеет высокую стоимость. Значительно экономичней электропитание от силовой сети переменного (гармонического) тока с частотой 50 Гц и действующим значением напряжения 220 В. Однако в этом случае необходимо преобразовать достаточно высокое переменное напряжение силовой сети в постоянное напряжение требуемой величины. Эти функции и выполняет источник питания, обобщенная структурная схема которого показана на рис. 10.1.

Сетевое напряжение подается на силовой трансформаторТ, который понижает его до требуемого уровня, например, 20 В действующего значения.

Рис. 10.1

Пониженное переменное напряжение подается навыпрямитель, обычно построенный на полупроводниковых диодах, импульсы тока которого поступают вфильтр, на емкости которого формируется постоянная составляющая напряжения. С выхода фильтра постоянная составляющая подается на электронныйстабилизаторнапряжения (он может отсутствовать), который поддерживает неизменное выходное

163

напряжение при изменении напряжения сети и тока нагрузки. К выходу источника питания подключается нагрузка - питаемое электронное устройство.

10.2. Силовой трансформатор

Силовой трансформатор представляет собой сердечник из пластин трансформаторного железа, на котором расположены обмотки из медного провода (рис. 10.2). Напряжение сети подается на первичную обмотку с числом виткови в ней возникает переменный ток, который создает в обмотке (катушке) переменное магнитное поле. Сердечник замыкает силовые линии этого магнитного поля внутри вторичной обмотки с числом витков(их может быть несколько) и за счет этого в обмотке создается ЭДС взаимоиндукции, вызывающая переменное напряжение вторичной обмотки,

,

- коэффициент трансформации, равный

.

Рис. 10.2

Силовые трансформаторы могут изготавливаться производителем аппаратуры самостоятельно, однако целесообразно использовать серийно выпускаемые трансформаторы типов ТПП (трансформаторы для питания полупроводниковых приборов) или ТН (трансформаторов накальных для питания подогревателей электровакуумных приборов).

164

В типовых трансформаторах первичная обмотка разделяется на две части и располагается на двух вертикальных частях сердечника на рис. 10.2. Они должны соединяться последовательно и согласно. Привстречномвключении этих обмотоктрансформатор выйдет из строя. Так же симметрично располагаются вторичные обмотки.

Общий вид трансформаторов ТПП и ТН броневой конструкции показан на рис. 10.3.

Рис. 10.3

Примером может служить силовой трансформатор ТПП48 127/220 50, его условно-графическое обозначение показано на рис. 10.4. Он может работать в сетях 127 В и 220 В с частотой 50 Гц, что и отражается в его маркировке, максимальная мощность 14 ВА.

На рис. 10.4 показаны две первичных обмотки с выводами 1-5 и 6-10, выводы которых указаны на корпусе трансформатора. Для питания от силовой сети 220 В необходимо соединить выводы 2 и 6, а напряжение сети подавать на выводы 1 и 8 первичной обмотки.

165

Шесть вторичных обмоток с номерами выводов 11-12, 13-14, 15-16, 17-18, 19-20 и 21-22 в режиме холостого хода обеспечивают напряжения 13,8 В, 13,8 В, 13,8 В, 13,8 В, 1,5 В и 1,5 В при максимальных токах 0,61 А.

Рис. 10.4

Трансформатор накальный ТН44-127.220-50 имеет условно-графическое обозначение, показанное на рис. 10.5. Трансформатор может работать в сетях 127 В и 220 В с частотой 50 Гц, максимальная мощность 58 ВА.

Рис. 10.5

На рис. 10.5 показаны две первичных обмотки I и I’, выводы которых отмечены номерами 1-6, указанными и на самом трансформаторе. Для питания от силовой сети 220 В необходимо соединить выводы 2 и 4, а напряжение сети подавать на выводы 1 и 5 первичной обмотки.

166

Четыре вторичных обмотки с номерами выводов 7-8, 9-10, 11-13 и 14-16 при номинальной нагрузке обеспечивают напряжение 6,3 В при токах 0,86 А, 2,16 А, 3 А и 3 А соответственно.

10.3. Выпрямитель

Различают две основных схемы выпрямителя - однополупериодную(рис. 10.6а) идвухполупериоднуюс двумя вторичными обмотками (рис. 10.6б) или с одной вторичной обмоткой имостовымвыпрямителем (рис. 10.6в). Их работа рассмотрена в [7].

Рис. 10.6

Сетевое напряжение с действующим значением 220В подается на первичную обмотку силового трансформатора Тр.

На его вторичной обмотке (или двух вторичных обмотках) формируется пониженное переменное напряжение , поступающее на выпрямитель, построенный на полупроводниковых

167

силовых диодах.

Схемотехническая модель двухполупериодного выпрямителя показана на рис. 10.7, в которой использована модель двухобмоточного трансформатора Centap. На рис. 10.8 показаны временные диаграммы сетевого источника (с амплитудой 311 В и частотой 50 Гц) на входе трансформатора (верхняя кривая), напряжений вторичных обмоток в узлах 3 (сплошная линия) и узле 4 (пунктир) в середине рисунка и импульсов тока в нагрузке(нижняя кривая).

Рис. 10.7

Рис. 10.8

168

Проведите моделирование остальных устройств на рис. 10.6 самостоятельно.

10.4. Фильтр

Варианты реализации сглаживающего фильтра блока питания рассмотрены в [7]. Там же проведено моделирование однополупериодного выпрямителя и емкостного фильтра. Величина емкости фильтра определяется выпрямленным (постоянным) напряжением и током нагрузкиили сопротивлением нагрузки выпрямителя

исходя из условия

,

где - круговая частота сетевого напряжения. Например, прииполучими следовательно

.

Как видно, необходима емкость фильтра 1000-2000 мкФ.

Модель выпрямителя показана на рис. 10.9.

Рис. 10.9

169

На рис. 10.10 приведены временные диаграммы токов и напряжений. Верхняя кривая отображает сетевое напряжение с действующим значением 220 В, далее показаны временные диаграммы тока в емкости фильтра и в нагрузкеНижняя кривая соответствует выпрямленному напряжению на нагрузке.

Рис. 10.10

Как видно, после завершения переходного процесса на выходе выпрямителя формируется постоянное напряжение 25 В, пригодное для питания электронной аппаратуры.

Двухполупериодный выпрямитель обладает лучшими техническими характеристиками, чем промоделированный в [7] однополупериодный. На рис. 10.11 показан в логарифмическоммасштабе спектр амплитуд выходного напряжения в узле 2 на рис. 10.9, его временная диаграмма показана на нижней кривой рис. 10.10. Как видно, в спектре присутствует постоянная составляющая 25 В, амплитуда первой гармоники на частоте 50 Гц крайне мала (меньше 1 мВ), амплитуда второй

170

гармоники равна 1,8 В, а третья опять практически отсутствует (ее амплитуда равна 0,2 мВ). Таким образом, в спектре выпрямленного напряжения присутствуют только четные гармоники сетевого напряжения.

Рис. 10.11

Для уменьшения пульсаций выходного напряжения применяют индуктивно-емкостный фильтр [7], однако он оказывается существенно дороже. Проведите его моделирование самостоятельно. Аналогично проведите анализ мостовой схемы выпрямителя на рис. 10.6в.

10.5. Электронный стабилизатор напряжения

Постоянное напряжение на выходе выпрямителя пропорционально изменяется при колебаниях напряжения сети и падает с ростом тока нагрузки. Кроме того, оно пульсирует с частотой 50 или 100 Гц в зависимости от схемы выпрямителя.

171

Амплитуда пульсаций также увеличивается с ростом тока нагрузки.

Для обеспечения постоянства напряжения на нагрузке на выходе выпрямителя включается электронный стабилизатор напряжения.

Простейший маломощный параметрическийстабилизатор напряжения реализуется на базе стабилитрона, соответствующая схема показана на рис. 10.12.

Рис. 10.12

Расчет стабилизатора проводится при заданных, например, значениях напряжения на нагрузке , максимального тока нагрузки, а также максимальногои минимальноговходных напряжений.

Прежде всего по величине напряжения на нагрузке, равного напряжению стабилизации, выбирается тип стабилитрона, в данном случае это, например, КС210Ж, у которого напряжение стабилизации , максимальный ток стабилитронаи минимальный ток, мощность рассеивания не более 125 мВт.

Далее необходимо определить балластное сопротивление . Принапряжение наравнои оно должно обеспечить ток, тогда сопротивление должно быть равно

.

172

Если нагрузка будет отключена, то весь указанный ток будет протекать через стабилитрон, что вполне допустимо, так как.

При напряжение надолжно быть равно, тогда через него протекает максимальный ток

,

что также меньше .

Чаще всего подобные простые стабилизаторы используются в качестве источника опорного напряжения (ИОН) более сложных электронных стабилизаторов.

Принципы работы компенсационных (линейных)иимпульсныхстабилизаторов рассмотрены в [7].

Основной характеристикой стабилизатора является коэффициент стабилизации, равный отношению относительной нестабильности выходного напряжения к относительной нестабильности напряжения на нагрузке,

, (10.1)

где - изменение входного напряжения, которое вызывает изменение напряжения на нагрузке. Чем выше, тем меньше меняется выходное напряжение при заданном изменении входного, поступающего от выпрямителя.

Существенное значение имеет коэффициент полезного действия (КПД)стабилизатора, равный

, (10.2)

173

где - входная электрическая мощность, поступающая от выпрямителя, а- мощность, передаваемая стабилизатором в нагрузку.

Компенсационные стабилизаторы имеют низкий КПД (менее 50%). Это приводит не только к расходу мощности, но и к необходимости отвода мощности, выделенной в виде тепла на проходном транзисторе. Если эта мощность выше нескольких ватт, то потребуется громоздкий и дорогой радиатори, возможно, вентилятор для принудительного отвода тепла.

Импульсный стабилизатор при грамотном проектировании имеет высокий КПД и лучшие массогабаритные характеристики. Его недостатком является высокий уровень импульсных помех.

Современная микроэлектроника предлагает широкий набор интегральных схем для реализации источников питания. Отечественные интегральные схемы для источников вторичного питания имеют код Е и выпускаются в сериях 275, 403, 142, 1009 и др. Необходимая документация по отечественным и импортным интегральным схемам доступна в сети Internet.

Наиболее распространенной является серия 142 в пластмассовых трехвыводных КТ-28-2 (рис. 10.13), а также в металлокерамических 4116.4-2 (4 вывода) и 4116.8-2 (8 выводов) корпусах.

Примером может служить стабилизатор КР142ЕН5А с выходным стабилизированным напряжением 5 В и максимальным током 1,5 А. Входное напряжение должно Рис. 10.13

находиться в пределах от 7,5 В до 15 В при

мощности рассеивания 10 Вт при комнатной температуре. Предусмотрена внутренняя схема защиты(резкого снижения выходного напряжения) при превышениимаксимального токаиперегревестабилизатора. Интегральная схема размещена в дешевом пластмассовом корпусе КТ-28-2 (рис. 10.13).

174

Типовая схема включения стабилизатора КР142ЕН5А показана на рис. 10.14а. Емкость электролитических конденсаторов должна быть не менее 10 мкФ. Выходной ток (ток нагрузки) должен быть не более такого значения, при котором рассеиваемая на стабилизаторе мощность не превышает допустимую(без радиатора, с радиатором). Кроме того, должно выполняться условие.

Рис. 10.14

Рассеиваемая мощность приближенно равна

,

тогда

.

Например, при без радиатора получим.

175

На рис. 10.14б показан вариант включения стабилизатора КР142ЕН5А с возможностью регулировки выходного напряжения в диапазоне от 5 В до при тех же ограничениях на максимальный выходной ток. Сопротивление, а уровень выходного напряжения устанавливается переменным сопротивлением. При правом положении его движка (рис. 10.14б) получим схему рис. 10.14а и выходное напряжение будет равно 5 В.

Значения выходного напряжения для некоторых аналогичных стабилизаторов приведены в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Тип	В	В
КР142ЕН5Б	8,5 - 15	6
КР142ЕН8А	11,5 - 35	9
КР142ЕН8Б	14,5 - 35	12
КР142ЕН8В	17,5 - 35	15
КР142ЕН9А	23 - 45	20
КР142ЕН9Б	27 - 45	24
КР142ЕН9В	30 - 45	27

Промышленность производит аналогичные стабилизаторы отрицательногонапряжения с фиксированным и регулируемым значениями, например, КР142ЕН10, КР142ЕН11. Выпускаетсядвухполярный стабилизатор КР142ЕН6 в корпусе 4116.8-2, формирующий положительное и отрицательное выходные напряжения 15 В.

Известны различные методы реализации импульсных стабилизаторов напряжения, простейший из которых рассмотрен в [7]. Основной проблемой при их проектировании является выбор ключевых транзисторов, в качестве которых в настоящее время рекомендуется использовать специализированные высокоскоростные полевые транзисторы, в корпусе которых размещены защитные диоды. Выпускаются полевые тран-

176

зисторы со считыванием тока (типа HEXSense), в которых имеются специальные выводы, на которых формируется напряжение, пропорциональное переключаемому току. Производятсяспециализированные интегральные схемы управления импульсными стабилизаторами. Обычно они используются в типовом (указанном производителем) включении.

На рис. 10.15 показана принципиальная схема импульсного стабилизатора, принцип работы которого описан в [7]. Электронный ключ реализован на полевом транзисторе с изолированным затвором типа VP1204N5 с встроенным защитным диодом. Управление работой стабилизатора осуществляется с помощью интегральной схемы (ИС) DA1 типаSG1524.

Рис. 10.15

Устройство работает следующим образом. Управляющая ИС формирует прямоугольные импульсы с периодом (с частотой 250 кГц, типовые значения от 30 кГц до 300 кГц) и длительностью,. Они открывают на времяполевой транзистор (электронный ключ) и импульсы тока от источника входного напряжения протекают через ключ и дроссель заряжают конденсатор(диод VD1 закрыт).

177

По окончании импульса ключ закрывается, открывается диод VD1 и индуктивность отдает накопленную энергию в конденсатор . Напряжение наформирует выходное напряжение. Часть выходного напряжения через делительподается на вход Inv управляющей ИС, где сравнивается с внутренним опорным напряжением. Если напряжение на входе Inv меньше опорного, то управляющая ИС увеличивает длительность импульсов, что повышает выходное напряжение, а если больше, то величинауменьшается, что приводит к уменьшению. Подобное управление длительностью импульсов называют широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Номиналы элементов стабилизатора приведены в табл. 10.2.

Таблица 10.2

кОм	18	кОм	4,7	мкФ	0,001
кОм	2,2	кОм	4,7	пФ	2200
кОм	0,5	мкФ	10	мкФ	0,1
кОм	4,7	мкФ	10	мГн	12,1
кОм	4,7	мкФ	0,02

Для управления ключевыми полевыми (МДП) транзисторами со считыванием тока используются ИС управления UC3842, (KA3842 фирмы Samsung) или отечественная ИС типа КР1033ЕУ10.

Расчет импульсных стабилизаторов является достаточно сложной задачей, поэтому на практике часто пользуются типовыми схемными решениями, предлагаемыми в документации производителей ключевых транзисторов или схем управления.